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串联太阳能电池打破新纪录

串联太阳能电池
3D串联太阳能电池堆的示意图结构。图片来源:Eike Koehnen / HZB

由硅和复杂的钙钛矿组成的太阳能电池已经达到了效率的新里程碑。新的串联设备,由 史蒂夫·阿尔布雷希特 和同事 柏林亥姆霍兹中心德国的光伏转换效率(PCE)为29.15%,超过了之前的最佳报告值26.2%。即使在运行300小时后,它们也保持95%的初始效率,并且开路电压高达1.92V。

当以串联配置使用时,包含两种具有不同但互补的电子带隙的光敏半导体材料的太阳能电池可比单独使用任何一种材料达到更高的PCE。钙钛矿,化学式为ABX3 (其中A通常是铯,甲基铵或甲ami; B是铅或锡; X是碘,溴或氯),是周围最有希望的薄膜太阳能电池材料之一,因为它们可以有效地转换可见光部分太阳光谱转换成电能。由于硅是红外线的有效吸收剂,因此将硅与钙钛矿结合使用有助于最大程度地利用太阳的输出。

钙钛矿的“完美床”

与...合作 Vytautas Getautis 和他的团队 考纳斯技术大学 在立陶宛,Albrecht及其同事通过将新型咔唑基分子的自组装单分子层(SAM)夹在带隙为1.68 eV的复合钙钛矿和与硅连接的铟锡氧化物电极之间,从而构造了串联太阳能电池。电荷载流子(电子和空穴)可以快速,长距离地扩散穿过钙钛矿,并且添加SAM层可进一步促进电子和空穴的流动。 “可以说,我们首先准备了完美的床,钙钛矿躺在上面,”他解释说。 阿姆兰·阿修里,Albrecht团队的成员。

为了了解钙钛矿和SAM界面处的各种过程,研究人员结合使用了瞬态光致发光光谱,计算模型,电特性和时间分辨太赫兹光电导率测量来研究界面。从这些技术和其他技术中收集到的信息使他们能够优化设备的所谓的填充因子(这是光伏设备的关键参数),而钙钛矿基太阳能电池早就缺乏更好的太阳能电池材料。

加快空穴传输

在Albrecht及其同事的实验中,填充因子取决于有多少电荷载子从SAM-钙钛矿界面中“丢失”。这些损耗是由于一种称为非辐射复合的过程而发生的,在该过程中,受激电子和空穴在不发光的情况下重新结合-有害的相互作用降低了功率转换的效率。

在新的串联装置中,电子沿入射太阳光的方向通过SAM,而空穴沿相反方向通过SAM进入电极。然而,研究人员观察到,空穴的提取速度远低于电子的相应速度,这通常会限制填充因子。 Al-Ashouri认为,新型SAM通过大大加速空穴传输来解决此问题,从而提高了填充因子,并使钙钛矿电池的效率更高。

该团队的成员还包括来自德国波茨坦大学,斯洛文尼亚卢布尔雅那大学和英国谢菲尔德大学以及德国物理技术大学,柏林HTW和柏林理工大学的研究人员,他们说,最高PCE他们的设计可能— 32.4% —现在“触手可及”。 “为此,我们计划进一步降低串联太阳能电池的电阻损耗,以探寻30%以上的完整PCE潜力,”团队成员 艾克·科嫩(EikeKöhnen) 告诉 物理世界.

该研究在 科学.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年